一种可重构的CMOS图像传感器芯片及其形成方法技术

本发明专利技术公开了一种可重构CMOS图像传感器芯片，包括多个图像传感器芯片单元，每个图像传感器芯片单元包括上下两层芯片，其中，上层芯片为背照感光式芯片，其正面具有像素阵列，背面形成硅通孔结构，所述硅通孔结构用于在上下两层芯片间形成垂直导通以将所述像素阵列输出的模拟信号引出；下层芯片的正面具有互连结构、数据处理电路以及数据输出电路；所述互连结构的顶层金属互连位于与所述硅通孔结构对应的位置并与硅通孔结构电连接；数据处理电路与所述互连结构相连并将所述模拟信号转换为数字信号；数据输出电路与所述数据处理电路相连，用于将数字信号输出。本发明专利技术能够提高图像传感器芯片的设计效率和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种可重构的CMOS图像传感器芯片
本专利技术涉及图像传感器领域，特别涉及一种可重构的CMOS图像传感器芯片。
技术介绍
图像传感器是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为 CCD (Charge Coupled Device，电荷稱合兀件）和 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体元件）两大类。CMOS传感器获得广泛应用的一个前提是 其所拥有的较高灵敏度、较短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸。 传统的CMOS图像传感器采用的前感光式（FSI，Front Side Illumination)技术， 即前照技术。前照技术的主要特点是在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联以及光 管孔（Light Pipe)。其优点是：工艺简单，与CMOS工艺完全兼容；成本较低；光管孔填充材 料折射率可调；有利于提高入射光的透射率，减少串扰等。然而，由于光线首先需要经过上 层的金属互连层才能照射到下方的感光二极管，因此前照技术的填充因子和灵敏度通常较 低。 随着像素尺寸的变小，提高填充因子越来越困难，目前另一种技术是从传统的前 感光式变为背部感光式（BSI，Back Side Illumination),即背照技术。背照技术的主要特 点是首先在硅片正面按顺序制作感光二极管、金属互联，然后对硅片背面进行减薄（通常 需要减薄至20um以下），并通过对于背部感光式CMOS传感器最重要的硅通孔技术（TSV， Through-Silicon-Via)将感光二极管进行互联引出。娃通孔技术是通过在芯片和芯片之 间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。由于互联电路置于背 部，前部全部留给光电二极管，这样就实现了尽可能大的填充因子。硅通孔技术的优点是照 射到感光二极管的入射光不受金属互连影响，灵敏度较高，填充因子较高。 然而不论是背部感光式CMOS图像传感器还是传统的前感光式CMOS图像传感器， 对于传感器芯片设计者来说，对于不同类型（例如不同像素分辨率或不同感光区域大小） 的图像传感器都需要进行一次完整的芯片设计，比如，设计一款400万像素的图像传感器 芯片与设计一款6400万像素的图像传感器芯片的工作量相当，虽然在设计过程中两者可 以共享部分IP (例如用于信号处理的ADC、驱动缓冲器等），但是每个设计仍然需要遵循整 个设计流程，包括前端的芯片系统布局、后端的信号连线等，这样耗费了设计者大量的精 力。如果提出一种可重构的图像传感器系统架构，将能够极大地简化设计者的工作量，同时 也确保了大规模图像传感器芯片的设计成功率。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种提高设计效率及可靠性的 图像传感器芯片。 为达成上述目的，本专利技术提供一种可重构CMOS图像传感器芯片，包括多一个图像 传感器芯片单元，每个所述图像传感器芯片单元包括上下两层芯片，其中，上层芯片为背照 感光式芯片，其正面具有像素阵列，背面形成硅通孔结构，所述硅通孔结构用于在所述上下 两层芯片间形成垂直导通以将所述像素阵列输出的模拟信号引出；下层芯片的正面具有互 连结构、数据处理电路以及数据输出电路；所述互连结构的顶层金属互连位于与所述硅通 孔结构对应的位置并与所述硅通孔结构电连接；所述数据处理电路与所述互连结构相连并 将所述模拟信号转换为数字信号；所述数据输出电路与所述数据处理电路相连，用于将所 述数字信号输出。 优选的，所述像素阵列包括多个像素，每个所述像素包括感光二极管及读出晶体 管，所述硅通孔结构与各所述读出晶体管的输出端电连接。 优选的，所述硅通孔结构分别与所述像素阵列的每一行或每一列对应配置，每一 所述硅通孔结构通过金属连线与其对应行或对应列的各所述像素的读出晶体管的输出端 电连接。 优选的，所述数据处理电路至少包括模数转换模块。 优选的，所述数据输出电路纵向或横向设置于所述下层芯片中。 优选的，所述多个图像传感器芯片单元组成图像传感器芯片单元阵列，该阵列中 同一列或同一行的各所述图像传感器芯片单元的数据输出电路依次连接以形成一纵向或 横向的数据传输通道。 优选的，所述硅通孔结构位于所述像素阵列的两侧、单侧或四周。 本专利技术还提供了一种形成上述可重构的CMOS图像传感器芯片的方法，包括：提供 第一衬底并在该第一衬底的正面形成所述像素阵列；对所述第一衬底的背面减薄并通过硅 通孔技术形成所述硅通孔结构；提供第二衬底并在该第二衬底的正面形成所述数据处理电 路、数据输出电路以及所述互连结构；以及将所述第一衬底的背面与所述第二衬底的正面 相接合以使所述硅通孔结构与所述互连结构电连接。 本专利技术的有益效果在于， (1)采用上下两层芯片结构封装成图像传感器芯片单元；上层芯片采用背照式图 像传感技术，上层芯片的顶层全部留给感光二极管，可实现大的填充因子；采用硅通孔技术 实现两层芯片互连，使感光二极管不受金属互连的影响，灵敏度高。 (2)通过图像传感器芯片单元的拼接可重构更大像素的图像传感器芯片，尤其是 在图像传感器芯片单元已经设计成熟后，就能够通过将图像传感器芯片单元在横向、坚向 进行任意扩展，所重构而成的图像传感器芯片不仅能满足用户的需求，而且还能够确保芯 片的可靠性。 【附图说明】 图1所示为本专利技术一实施例的可重构的CMOS图像传感器芯片的图像传感器芯片 单元的示意图。 图2所示为本专利技术一实施例的图像传感器芯片单元的上层芯片的示意图。 图3和图4所示为本专利技术一实施例的图像传感器芯片单元的下层芯片的示意图。 图5所示为本专利技术一实施例的可重构的CMOS图像传感器芯片的下层芯片的示意 图。 【具体实施方式】 为使本专利技术的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本专利技术的内容作进一 步说明。当然本专利技术并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也 涵盖在本专利技术的保护范围内。 下面参照图1至图5描述本专利技术的可重构CMOS图像传感器系统架构。 本专利技术提出的可重构的CMOS图像传感器系统架构包括多个图像传感器芯片单 元。图1所示为一个图像传感器芯片单元的示意图，如图1所示，每个图像传感器芯片单元 由上层芯片10和下层芯片20封装而成，其中上层芯片10为背照感光式芯片，其正面具有 像素阵列101，背面形成有硅通孔结构102。硅通孔结构102用于在上层芯片10和下层芯片 20之间形成垂直导通以将像素阵列101输出的模拟信号引出至下层芯片20。具体来说，像 素阵列101包括多个像素，每个像素包括感光二极管和读出晶体管。感光二极管用于对接 收的光信号进行光电转换。读出晶体管用于将经感光二极管输出的电信号输出，其包括传 输管、行选通管、复位管、源跟随器。传输管与感光二极管相连，传输管的漏极、源跟随器的 栅极和复位管的源极相连，行选通管的漏极与源跟随器的源极相连，行选通管的源极作为 读出晶体管的输出端与硅通孔结构102通过金属连线相连。较佳的，硅通孔结构102分别 与像素阵列的每一行或每一列对应配置，即像素阵列101中同一行或同一列的各像素的读 出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可重构的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，包括多个图像传感器芯片单元，每个所述图像传感器芯片单元包括上下两层芯片，其中，上层芯片为背照感光式芯片，其正面具有像素阵列，背面形成硅通孔结构，所述硅通孔结构用于在所述上下两层芯片间形成垂直导通以将所述像素阵列输出的模拟信号引出；下层芯片的正面具有互连结构、数据处理电路以及数据输出电路；所述互连结构的顶层金属互连位于与所述硅通孔结构对应的位置并与所述硅通孔结构电连接；所述数据处理电路与所述互连结构相连并将所述模拟信号转换为数字信号；所述数据输出电路与所述数据处理电路相连，用于将所述数字信号输出。

【技术特征摘要】
1. 一种可重构的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，包括多个图像传感器芯片单元， 每个所述图像传感器芯片单元包括上下两层芯片，其中， 上层芯片为背照感光式芯片，其正面具有像素阵列，背面形成硅通孔结构，所述硅通孔 结构用于在所述上下两层芯片间形成垂直导通以将所述像素阵列输出的模拟信号引出； 下层芯片的正面具有互连结构、数据处理电路以及数据输出电路；所述互连结构的顶 层金属互连位于与所述硅通孔结构对应的位置并与所述硅通孔结构电连接；所述数据处理 电路与所述互连结构相连并将所述模拟信号转换为数字信号；所述数据输出电路与所述数 据处理电路相连，用于将所述数字信号输出。2. 根据权利要求1所述的可重构的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述像素阵列 包括多个像素，每个所述像素包括感光二极管及读出晶体管，所述硅通孔结构与各所述读 出电路的输出端电连接。3. 根据权利要求2所述的可重构的CMOS图像传感器芯片，其特征在于，所述硅通孔结 构分别与所述像素阵列的每一行或每一列对应配置，每一所述硅通孔结构通过金属连线与 其对应行或对应列的各所述像素的读出晶体管的输出端电连接。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：李琛，
申请(专利权)人：上海集成电路研发中心有限公司，成都微光集电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31